ROŚLINY ENERGETYCZNE – SPOSOBY

PRZETWARZANIA NA BIOPALIWA

CHEŁM

28 marca 2008 r.

Adam Kryłowicz; Kazimierz Chrzanowski; Janusz Usidus

Stowarzyszenie Elektryków Polskich Oddział w Zamościu

Wprowadzenie

Główne surowce służące obecnie do wytwarzania energii cieplnej,
mechanicznej oraz elektrycznej to ropa naftowa, gaz ziemny i
węgiel. Wykorzystanie tych surowców wiąże się jednak z emisją
CO

2

oraz innych zanieczyszczeń do atmosfery, co przyczynia się

do powstawania efektu cieplarnianego. Alternatywą dla tego typu
surowców są paliwa odnawialne, np. biomasa. Uzyskiwanie
energii z biomasy jest obecnie realizowane na dwa podstawowe
sposoby.

Pierwszy oparty jest na procesie spalania biomasy i wytwarzania
pary wodnej, która napędza turbinę parową sprzężoną z
generatorem prądu elektrycznego. Rozwiązanie to charakteryzuje
się bardzo niską sprawnością. Na przykład w projekcie Lubań
(kotły parowe opalane słomą) sprawność wytwarzania energii
elektrycznej wyniesie 16,4%.

Drugi sposób to uzyskiwanie biogazu w wyniku fermentacji
metanowej. Uzyskiwany biogaz służy do napędu agregatu
prądotwórczego.

Alternatywne wykorzystanie gruntów rolniczych na cele
niezwiązane z produkcją żywności ze szczególnym
uwzględnieniem energetyki

Tabela 1. Ceny gazu ziemnego w poszczególnych latach.

cena w

1996 r.

cena w

1999 r.

cena w

2000 r.

cena w

2001 r.

cena w

2006 r.

cena w

2008 r.

0,36 zł/m

3

0,82 zł/m

3

0,92 zł/m

3

1,18 zł/m

3

1,57 zł/m

3

1,71 zł/m

3

Alternatywą dla tego typu surowców są paliwa odnawialne, np.
biomasa. Z biomasy pozyskiwać można i wytwarzać paliwa stałe,
ciekłe i gazowe.

W miarę wzrostu zapotrzebowania na paliwa i zmniejszania się ich
zasobów ceny paliw kopalnych szybko rosną.

Rośliny energetyczne

Rolnicza produkcja roślinna w całości lub zdecydowanej części
uzależniona jest od czynników przyrodniczych, ekonomicznych,
społeczno-gospodarczych, itp.

Przy współczesnym poziomie rozwoju gospodarczego klimat i gleba
są podstawowymi czynnikami przyrodniczymi, które w naszych
warunkach naturalnych wpływają na plony uprawianej rośliny.

Za rośliny energetyczne uważać należy te rośliny, które w naszych
warunkach klimatycznych i glebowych charakteryzuję się wysoką
wydajnością z ha, przekraczającą np. 15-20 ton suchej masy z ha
(tsm/ha) oraz możliwością dużej produkcji danego paliwa stałego,
ciekłego czy gazowego z tony suchej masy.

Drzewa

Plantacje drzew do pozyskania surowca energetycznego
(plantacje energetyczne) zakładane są z gatunków szybko
odnawiających się z odrośli. Stosuje się w nich skrócone cykle
produkcyjne 3-10 letnie.

- topole
- robinia akacjowa
- wierzba

Rośliny energetyczne niezdrewniałe

- buraki
- kukurydza
- topinambur
- trawy
- spartina preriowa
- miskant olbrzymi
- miskant cukrowy
- ślazowiec pensylwański

Współspalanie węgla z biomasą

Jako jedno z najprostszych rozwiązań założono współspalanie
biomasy z węglem. Za podstawową biomasę kierowaną do
współspalania stosuje się drewno, które łatwiej jest rozdrobnić w
młynach węglowych niż np. słomę. Niemniej pozyskiwanie drewna
z lasu do współspalania prowadzi do rabunkowej gospodarki
drewnem.

Drewno jest jednak innym paliwem niż węgiel. Doświadczenie
wykazało, że przekroczenie 5% udziału drewna w węglu prowadzi
do różnych niedogodności w procesie przygotowania mieszanki
paliwowej i jej spalania (wybuchy w młynach) a przekroczenie 10%
udziału drewna w węglu wyraźnie obniża sprawność kotła
parowego.

Istotne okazują się również straty składowania biomasy w pryzmie.

Rys. 1. Straty masy drewna podczas przechowywania zrębków(%)

(Scholz. V., Idler Ch., 2000)

Paliwa płynne

Pierwszym paliwem płynnym pozyskiwanym z biomasy był alkohol
etylowy. Wydajność etanolu z różnej biomasy obrazuje tabela 2.

Tabela 2. Wydajności etanolu z ziarna kukurydzy i z innych roślin [Michalski 2005].

Gatunek

Średnie plony

w Polsce (t/ha)

Wydajność

etanolu (dm

3

/t)

Uzysk etanolu

(dm

3

/ha)

Ilość zużytego

surowca na 100 dm

3

etanolu

Kukurydza

6,1

390

2379

256

Pszenica

3,5

340

1190

294

Ziemniaki

19,0

140

2660

714

Buraki
cukrowe

45,0

100

4500

1000

Drugim źródłem pozyskiwania paliw płynnych są rośliny oleiste.

Bilans energetyczny pozyskiwania biopaliwa RME

Energia dostarczona:

- uprawa rzepaku od zaorania, siewu, zbioru aż do
otrzymania nasion

21,6 GJ/ha

- tłoczenie oleju

7,9 GJ/ha

- transestryfikacja

6,8 GJ/ha

Suma energii dostarczonej

(bez energii słonecznej)

36,3 GJ/ha

Energia pozyskana:

- 1,3 m

3

biopaliwa RME ma wartość energetyczną

42,5 GJ/ha

Tak więc energia dostarczona do wyprodukowania biopaliwa RME stanowi
85% energii pozyskanej.

Dopiero anaerobowa fermentacja metanowa produktów pozostałych,
takich jak słoma rzepakowa, makuch i gliceryna pozwoli zwiększyć 2,8 razy
ilość pozyskanej energii.

Paliwo BtL (Biomass to Liquids)

Bardziej wydajnym procesem pozyskiwania paliwa ciekłego z biomasy jest
wytwarzanie paliwa BtL.

Poszczególne procesy wytwarzania paliwa BtL:

1. Suszenie biomasy

2. Proces pirolizy biomasy

3. Gazyfikacja produktów pirolizy za pomocą tlenu w wysokiej
temperaturze do gazu syntezowego CO + H

2

4. Synteza syngazu Fischera-Tropscha do paliwa płynnego BtL

Z uwagi na stosowanie czystego tlenu i wysokich temperatur w procesie
gazyfikacji biomasy jest to obecnie proces drogi.

Tabela 3. Parametry BtL.

BtL (Biomass to Liquids)

Surowce

rośliny energetyczne i

drewno

Roczna wydajność z

hektara

ok. 4030 l/ha

Równoważnik paliwa

1 l BtL odpowiada ok. 0,97

l oleju napędowego

Cena rynkowa

nie określono

Redukcja CO

2

>90%

Informacje techniczne

może być używany w
czystej formie lub w

mieszaninach bez
jakichkolwiek przeróbek

silnika

Źródło: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Paliwa gazowe wytwarzane z biomasy

Przeprowadzono szereg badań zgazowania biomasy za pomocą takich
gazów jak powietrze, tlen, para wodna, wodór. Są to technologie znane z
procesów zgazowania węgla. Zgazowanie najtańsze za pomocą powietrza
pozwala na wytworzenie paliwa gazowego niskokalorycznego, będącego
mieszaniną CO, CO

2

i N

2

. Pozostałe czynniki stosowane do zgazowania są

drogie

i

wymagają

wysokich

temperatur

850°C–1550°C. Piroliza biomasy powoduje powstawanie drobnych kropelek
smoły, które szybko niszczą silniki spalinowe lub turbiny gazowe.
Doświadczenie wykazało, że żywotność tak napędzanej turbiny skraca się
do 5000 godzin pracy.

Proces anaerobowego wytwarzania biogazu

Proces ten zachodzi w środowisku wodnym przez metanowce: psychrofilne
w temp. ok. 20°C, mezofilne w temp. ok. 35°C i termofilne w temp. ok.
55°C.
Składa się z następujących etapów: hydrolizy biomasy, acetogenezy i
metanogenezy. W obecnych zastosowaniach procesy te zachodzą w
jednym

zbiorniku,

co

jest

powodem

występowania

czynników

zakłócających zwłaszcza procesu metanogenezy. Gazem toksycznym dla
metanowców jest tlen zawarty w powietrzu, dlatego proces ten należy
prowadzić w komorze szczelnie zamkniętej.

Topinambur

Miskant olbrzymi

Tabela 4. Uzyski biometanu z beztlenowej fermentacji biomasy w przeliczeniu na suchą
masę [Kotowski 2005]

Rodzaj surowca

Produkcja CH

4

m

3

/t s.m.

Kukurydza

410

Burak cukrowy korzenie

425

Burak cukrowy liście

450

Ziemniak bulwy

418

Ziemniak łęty

550

Słoma żytnia

450

Słoma rzepakowa

340

Słoma Kukurydzy

650

Lucerna

400

Trawa łąkowa

600

Źródło: Dr inż.. Włodzimierz Majtkowski, IHAR Oddział w Bydgoszczy: „Tradycyjne gatunki rolnicze źródłem
biomasy. Powrót do przeszłości”, AGROENERGETYKA nr 2(16), str. 28-32.

Rys. 2. Wydajność biogazu dla różnych roślin energetycznych

(wyniki

z badań procesów fermentacji)

Biomasa jako potencjalny nośnik energii

Tabela 5. Charakterystyka roślin stosowanych na plantacjach
energetycznych
Roślina uprawiana

Wydajność

suchej

masy

tsm/ha

Wydajność
biometanu

m

3

/tsm

Produkcja

biometanu

m

3

/ha

Produkcja energii

cieplnej

MWh/ha

elektryczn

ej

MWh/ha

Miskant olbrzymi

33,0

410

13 530

134,5

53,8

Spartina preriowa

24,0

540

12 960

128,8

51,5

Trawy łąkowe

8,0

540

4 320

42,9

17,2

Kukurydza

18,0

450

8 100

80,5

32,2

Topinambur

30,0

450

13 500

134,2

53,7

Tabela 6. Koszt energii cieplnej z różnych paliw (poziom cen 2005 r. – poza węglem
energetycznym)

Surowiec

Uzyskane

paliwo

Ilość

paliwa

Wartość

opałowa

przeliczona

H

u

Produkcja

ciepła

GJ

Koszt

surowca

(paliwa)

zł

Koszt

energii

cieplnej

zł/GJ

Węgiel dla elektrowni
2005 r.

brunatny

KBW Turów

1 tona

-

-

-

6,67

kamienny miał

1 tona

21 MJ/kg

21,0

230

10,95

Węgiel kamienny
opałowy

Kopalnia Wirek

1 tona

30,0 MJ/kg

30,0

450

15,00

gruby

1 tona

23,4 MJ

23,4

400

17,00

Ropa naftowa surowa

ropa

1 baryłka

~143,1 kg

40 MJ/kg

5,7

240

42,10

Olej napędowy

olej

100 l

~ 80 kg

40 MJ/kg

3,2

390

121,9

Benzyna

benzyna

100 l

~ 80 kg

44 MJ/kg

3,52

420

119,3

Spirytus surowy (95%)

etanol

1 tona

26,8 GJ/t

26,8

3010

112,3

Gaz ziemny GZ-50

zakup gazu

sprzedaż

odbiorcom

1000 m

3

31 MJ/kg

31

620

1570

20

50,65

Tabela 7. Ceny energii cieplnej z biometanu (H

u

=35,79 MJ/m

3

) wg cen surowca z upraw

surowych i wiązanych (poziom cen 2005 r.)

Roślina uprawna

Wydajność

suchej masy

t/ha

Wydajność

wytwarzania

biometanu

m

3

/t

Ilość

wytwarzane

go

biometanu

m

3

/ha

Produkcja

ciepła

GJ

Koszt

zakupu

surowca

zł

Cena energii

cieplnej

zł/GJ

Uprawy celowe:
Miskant olbrzymi

33

410

13 530

484,2

4 000

8,26

Spartina preriowa

24

540

12 960

463,8

3 600

7,76

Kukurydza zielona

18

468

8 424

301,5

3 000

9,95

Lucerna

15

410

6 150

220,1

1 800

8,18

Topinambur

30

450

13 500

483,2

4 000

8,28

Odpady z upraw wiązanych
Kukurydza

12

468

5 616

201,0

1 440

7,16

Słonecznik

12

450

5 400

193,3

1 440

7,45

Słoma pszenicy

3

390

1 170

41,9

300

7,16

Trawa

6

540

3 240

116,0

1 200

10,35

Koszty pozyskiwania energii z różnych źródeł

(wg ceny surowca energetycznego)

Rys. 3. Koszt pozyskania energii z różnych źródeł

(na podstawie Przeglądu Technicznego 3/2006 i opracowanie

własne)

Tabela 8. Polskie rynki paliw i energii 2007 oraz potencjał
rolnictwa energetycznego
Paliwo

Rynek paliw w jednostkach

naturalnych na rok

Rynek energii

pierwotnej

TWh/rok

Rynek energii

końcowej TWh/rok

Węgiel
kamienny

80 mln ton

600

300

Węgiel

brunatny

60 mln ton

170

40

Gaz ziemny

10 mld m

3

100

84

Ropa naftowa

22 mln ton

220

50

Energia
odnawialna

-

-

4/30

Rolnictwo
energetyczne

4 mln ha

(20 mld m

3

biometanu)

200

170

Warszawa, 25 lutego 2008 r. – Jan Popczyk – Politechnika Śląska

Rynki paliwowe – uwagi do tabeli 8

1. Węgiel kamienny – całkowite wydobycie wynosi 100 mln t/a, 20 mln

t/a stanowi eksport

2. Gaz ziemny – całkowite zużycie wynosi 15 mld m3/a, 5 mld m3/a

wykorzystuje się w przemyśle chemicznym (przede wszystkim przy
produkcji nawozów sztucznych). Całe wydobycie krajowe 4,5 mld m3
jest wykorzystywane do celów energetycznych.

3. Energia odnawialna (wykorzystanie/potencjał) – obecnie składają

się na nią: biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka
przepływowa i energetyka wiatrowa. Czyli na rynku końcowym
reprezentowana jest obecnie tylko energia elektryczna.

4. Rolnictwo energetyczne - w tablicy ostrożnie jest oszacowany

potencjał powierzchni możliwej do wykorzystania. Rynek w paliwie
pierwotnym został oszacowany na podstawie wydajności kukurydzy,
bez uwzględnienia potencjału postępu biotechnologicznego (wydajność
topinamburu, dla którego są w Polsce już wstępne wyniki uprawy i
oceny przydatności energetycznej, jest około czterokrotnie większa niż
kukurydzy). Rynek energii końcowej został oszacowany przy założeniu,
że cały biometan jest wykorzystywany w kogeneracji.

5. Rynek energii końcowej - został oszacowany z uwzględnieniem

sprawności energetycznej charakterystycznej dla stosowanych obecnie
technologii.

Warszawa, 25 lutego 2008 r. – Jan Popczyk – Politechnika Śląska